摘要：
智能响应执行器作为现代检测和传感技术的核心组件，具备独特的刺激感知能力和自适应变形能力，能够实现精确的信号捕获和智能转换。由于具有天然的生物相容性、可生物降解性和可改性性，壳聚糖已成为构建智能执行器的理想材料，在生物医学工程、软体机器人、可穿戴健康监测和人机交互等领域展现出巨大的应用潜力。本文综述了基于壳聚糖的智能执行器的最新进展，包括基质材料形式（刺激响应凝胶和形状记忆聚合物）、刺激类型（如湿度、pH值、光、热、电和磁）、在生物医学工程、软体机器人和实时监测中的应用、当前面临的挑战以及发展趋势。未来，通过优化壳聚糖的功能、整合跨学科技术并结合人工智能，有望实现执行器的精确性、微创性和模块化发展。
引言：
智能响应执行器是一类新型智能设备，能够感知环境刺激并产生自主响应。在感知-响应过程中，从周围环境中获取的能量可以直接转化为机械动能。这些刺激多种多样，包括光、热、磁、电、湿度、pH值等（Chen, Liu等人，2025；Chen, Ouyang等人，2025）。当暴露于这些环境刺激时，智能执行器会表现出可编程的宏观尺度驱动和变形行为（例如收缩、弯曲、旋转或跳跃），从而实现与复杂环境的动态感知和交互（Sun, Li等人，2026；Sun, Sang等人，2026）。这些独特的功能，包括自我感知、自主响应和可编程执行，使智能执行器成为连接微观世界和宏观现实的关键桥梁，在软体机器人、人工肌肉、智能传感器和健康监测等领域具有广泛的应用前景（Li, Fang, Li等人，2025；Li, Fu, Lu等人，2025；Li, Yang, Hou等人，2025；Li, Yang, Wang等人，2025；Peng等人，2025）。
由于智能响应执行器独特的感知-响应工作模式和跨学科特性，它们受到了科学界和工业界的广泛关注。与传统执行器不同，智能响应执行器不需要复杂的机械传动机制或独立的传感器组件（Quan & Mai，2025）；相反，它们依靠基质材料的刺激响应特性将能量转化为动能（Wang, Cai等人，2025；Wang, Jiao等人，2025；Wang, Li等人，2025；Wang, Liu等人，2025；Wang, Ou等人，2025；Wang, Pang等人，2025；Wang, Qi等人，2025；Wang, Zeng等人，2025）。因此，智能执行器表现出集成度高、重量轻、效率高的性能，同时降低了制造成本和复杂性。本质上，智能响应执行器模仿了生物系统的响应模式，实现了“物理自适应智能”，即执行器仅基于材料本身的特性就能对环境刺激产生适应性响应（Weber等人，2025）。
从自然界中学习是人类文明和科学技术进步的重要途径。经过数十亿年的进化适应，自然界培育出了具有感知-响应能力的各种植物和组织，为设计和制造人工智能执行器提供了灵感和物理模型（Wang, Cai等人，2025；Wang, Jiao等人，2025；Wang, Li等人，2025；Wang, Liu等人，2025；Wang, Ou等人，2025；Wang, Pang等人，2025；Wang, Qi等人，2025；Wang, Zeng等人，2025）。例如，捕蝇草和含羞草在触觉刺激下可以迅速闭合叶片以捕捉昆虫或躲避捕食者；草本植物卷柏在干旱条件下会卷曲并包裹自身以减少水分流失。此外，某些凋亡植物组织（如松树鳞片、蒲公英冠毛和植物荚果）也具有独特的响应运动特性。对这些自然原型的研究和深入理解为新型智能响应执行器的开发提供了多样的物理模型和设计概念。
智能执行器的独特感知-响应特性决定了基质材料的核心作用，这些材料直接决定了执行器的响应机制和性能边界（Zhao等人，2025）。此外，基质材料构成了多组分集成和功能化的基础平台。与合成材料相比，使用天然生物质材料作为执行器的基质材料具有卓越的环境友好性、可持续性和生物相容性，从而扩展了智能执行器在柔性机器人、生物医学工程、可穿戴设备和绿色电子学中的应用范围（Wang, Cai等人，2025；Wang, Jiao等人，2025；Wang, Li等人，2025；Wang, Liu等人，2025；Wang, Ou等人，2025；Wang, Pang等人，2025；Wang, Qi等人，2025；Wang, Zeng等人，2025）。表1总结了常用的智能执行器用天然生物质材料。尽管目前还存在机械性能、响应速度和长期稳定性方面的挑战，但基于生物质的智能响应执行器逐渐成为研究热点，具有巨大的发展潜力。
壳聚糖（CS）是唯一天然存在的碱性多糖，由几丁质的脱乙酰化获得。其分子链由β-1,4-糖苷键连接的D-葡萄糖胺残基组成，含有丰富的氨基和羟基（Zhao, Guo等人，2026；Zhao, Zhou等人，2026）。这些独特的结构特征赋予了它优异的吸附-絮凝能力和抗菌活性，这归因于其阳离子性质。壳聚糖主要来源于虾壳、蟹壳、真菌和昆虫等。其来源的不同导致了显著的结构差异，包括分子量、脱乙酰化程度、结晶度和纯度的差异。来自虾壳和蟹壳的壳聚糖具有较高的分子量和结晶度、紧凑的结构以及良好的机械性能和稳定性；而来自真菌和昆虫的壳聚糖则具有较高的纯度、低过敏性和优异的溶解性及刺激响应性。壳聚糖分子富含氨基和羟基，容易形成氢键，在中性或干燥条件下结构紧密且硬度较高。在水或弱酸环境中，氨基的质子化会破坏氢键，导致分子链伸展和膨胀。其线性多糖链在pH值和温度等刺激下会发生可逆的膨胀-收缩，从而实现形状响应变形。脱乙酰化程度和结晶度调节了变形程度和响应速度，使壳聚糖具备适合刺激响应凝胶（SRGs）和形状记忆聚合物（SMPs）的响应变形特性。作为几丁质最重要的衍生物，壳聚糖继承了几丁质的广泛可用性、生物相容性和可生物降解性（Yao等人，2026）。这些特性使壳聚糖在伤口敷料、药物输送系统、水处理、保鲜指示剂和活性包装等领域具有广泛的应用前景（Ge等人，2026；Ma等人，2026）。
作为一种天然材料，壳聚糖具有适用于智能执行器的独特优势和优异性能。由于其丰富的氨基和羟基，壳聚糖易于功能化和改性，是构建智能驱动系统的理想平台。基于壳聚糖的智能执行器不仅具有优异的生物相容性和绿色可持续性，还能有效整合环境感知和自适应响应能力，实现了生物安全性和智能响应性的有机结合（Zhang等人，2026）。进一步将壳聚糖的物理和生物优势扩展到多刺激响应智能系统中，并赋予其高效的可编程驱动行为，可以显著提高执行器的可控性和应用适应性，为下一代柔性智能系统的发展开辟了有前景的技术路线。基于壳聚糖的响应执行器受到了研究界的广泛关注，并成为重要的研究焦点。使用“壳聚糖执行器”这一关键词，我们统计分析了2021年至2026年Web of Science核心数据库中与该主题相关的年度出版物数量，结果分别为2021年10篇、2022年30篇、2023年27篇、2024年19篇、2025年25篇和2026年10篇。本文系统地综述了基于壳聚糖的响应执行器的基质材料形式、刺激类型、应用、当前挑战和发展趋势，如图1所示，为基于天然材料的智能设备的开发和应用提供了指导。
**部分摘录：**
**智能响应执行器的基质材料**
智能响应执行器的基质材料是一类先进的功能性材料，能够感知外部环境刺激（包括温度、光、pH值、电场和磁场），并自主调整其形状、大小或硬度。这类智能材料是软体机器人、智能仿生系统、自适应结构和生物医学设备的核心材料基础和载体。目前广泛使用的基于壳聚糖的材料……
**成型加工方法**
基于壳聚糖的响应执行器的机械强度和响应变形能力主要由其微观结构（紧凑性、孔隙率、分子取向等）和宏观配置决定。加工和制造方法作为调节材料结构的核心手段，直接影响执行器的最终性能。表2比较了成型过程对机械强度和响应变形能力的影响。
**刺激响应类型**
目前，执行器能够感知多种环境刺激，包括湿度、pH值、光、热、电等因素，从而触发响应行为。多种类型的刺激响应赋予智能执行器出色的环境适应性，促进了其在各个领域的广泛应用。
**应用**
基于壳聚糖的智能执行器具有天然的生物降解性、生物相容性和独特的环境响应性，在生物医学工程、软体机器人和可持续人机交互等领域具有广泛的应用前景。其可持续性源于天然聚合物材料，而智能响应性则源于分子结构的变化（如氨基的质子化）。通过感知湿度等环境刺激……
**挑战与展望**
作为生物质衍生智能材料的重要分支，基于壳聚糖的执行器在生物医学工程、软体机器人和柔性传感领域展现出巨大潜力，这归功于其优异的生物相容性、可生物降解性、丰富的来源以及对环境刺激（如湿度、pH值、温度）的响应性。然而，仍存在一些问题，包括响应速度慢、驱动力不足以及在循环和重复使用下的长期稳定性差。
**结论**
壳聚糖是一种天然存在的氨基多糖，通过几丁质的脱乙酰化获得，具有优异的生物相容性、可生物降解性和环境友好性。由于其对湿度、pH值、光、热、电和磁等多种外部刺激的敏感响应性，基于壳聚糖的响应执行器成为材料科学和智能技术交叉领域的前沿研究方向。目前，基于壳聚糖的执行器在……
**作者贡献声明**
Shuai Yang：撰写——原始草稿、方法论；
Zijian Song：撰写——审稿与编辑；
Dawei Zhang：项目管理；
Yingchun Li：监督。
**资助**
本研究得到了中国博士后科学基金会（项目编号2024M752991）、山西省基础研究计划（项目编号202303021212177和202303021212174）以及山西省奖学金委员会（2023–137）的支持。
**未引用参考文献**
Guo等人，2026；Kong等人，2026
**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
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